(57)【要約】【課題】たとえ改質装置の大型化に伴ってバーナ本体が長くなっても、バーナ本体の長手方向に沿ってほぼ均一な火炎を生成することができ、かつ、熱膨張による変形に起因する異常燃焼の発生も回避することの可能な燃料電池用の改質装置用バーナ。【解決手段】燃料ガス噴出用の噴出孔２３をパイプ長手方向に沿って多数有するパイプ状のバーナ本体２４と、バーナ本体２４に燃料ガスを供給する燃料供給管２５とを備え、原燃料ガスを燃料電池用の水素含有ガスに改質するために改質装置の改質反応部を加熱するように構成されている燃料電池用の改質装置用バーナ１３で、バーナ本体２４が、そのパイプ長手方向に分割された複数のバーナ本体部分２４ａにより構成され、複数のバーナ本体部分２４ａが、パイプ長手方向に沿って間隔Ｓを置いて並置されて、各バーナ本体部分２４ａのパイプ長手方向の中央部に燃料供給管２５ａがそれぞれ接続されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス噴出用の噴出孔をパイプ長手方向に沿って多数有するパイプ状のバーナ本体と、そのバーナ本体に燃料ガスを供給する燃料供給管とを備え、原燃料ガスを燃料電池用の水素含有ガスに改質するために改質装置の改質反応部を加熱するように構成されている燃料電池用の改質装置用バーナであって、
前記バーナ本体が、そのパイプ長手方向に分割された複数のバーナ本体部分により構成され、その複数のバーナ本体部分が、前記パイプ長手方向に沿って間隔を置いて並置されて、各バーナ本体部分のパイプ長手方向の中央部に燃料供給管がそれぞれ接続されている燃料電池用の改質装置用バーナ。
【請求項２】
前記バーナ本体部分のそれぞれが、各バーナ本体部分に接続された燃料供給管を介して固定部にそれぞれ支持されている請求項１に記載の燃料電池用の改質装置用バーナ。
【請求項３】
前記バーナ本体部分のそれぞれが、加熱室形成容器内に配置され、前記燃料供給管のそれぞれが、前記加熱室形成容器の壁を貫通してその壁に固定されている請求項２に記載の燃料電池用の改質装置用バーナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガス噴出用の噴出孔をパイプ長手方向に沿って多数有するパイプ状のバーナ本体と、そのバーナ本体に燃料ガスを供給する燃料供給管とを備え、原燃料ガスを燃料電池用の水素含有ガスに改質するために改質装置の改質反応部を加熱するように構成されている燃料電池用の改質装置用バーナに関する。
【背景技術】
【０００２】
このような改質装置用バーナとしては、従来、バーナ本体が、その長手方向に沿って燃料ガス噴出用の噴出孔を多数有する１本のパイプ状のバーナ本体により構成され、パイプ状のバーナ本体の長手方向における中央部に燃料供給管が接続された構成のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１３９３０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記公報に記載の改質装置用バーナでは、改質装置が大型化すると、それに伴ってパイプ状のバーナ本体も長くなり、パイプ状のバーナ本体に設けられた噴出孔からの燃料ガスの噴出量に極端な差が生じ、火炎がパイプ状のバーナ本体の長手方向に不均一になるおそれがある。
すなわち、図６に示すように、パイプ状のバーナ本体２４が長くなると、その長手方向の中央部に燃料供給管２５が接続されているため、燃料供給管２５から各噴出孔２３に至るまでの流動抵抗に極端な差が生じ、パイプ状のバーナ本体２４の長手方向中央部において比較的大きな火炎が生成され、両端部において比較的小さな火炎が生成されて、火炎がパイプ状のバーナ本体２４の長手方向に不均一になる。その結果、改質反応部全体を均一に加熱することができず、原燃料ガスを均一に改質できなくなるおそれがある。
【０００５】
このような問題を解決するには、例えば、図７の（ａ）に示すように、燃料供給管２５を２本の分岐燃料供給管２５ａに分岐し、パイプ状のバーナ本体２４の全長をほぼ１／３等分する部分に２本の分岐燃料供給管２５ａを接続することが考えられる。
しかしながら、改質装置用バーナが配置される加熱室は、通常、６００〜７５０℃程度の高温に維持されるので、パイプ状のバーナ本体２４が熱膨張し、図７の（ｂ）に示すように、２本の分岐燃料供給管２５ａにより熱膨張が拘束される中央部分で変形が生じ、異常燃焼が発生する可能性がある。
【０００６】
本発明の目的は、たとえ改質装置の大型化に伴ってバーナ本体が長くなっても、バーナ本体の長手方向に沿ってほぼ均一な火炎を生成することができ、かつ、熱膨張による変形に起因する異常燃焼の発生も回避することの可能な燃料電池用の改質装置用バーナを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の燃料電池用の改質装置用バーナは、燃料ガス噴出用の噴出孔をパイプ長手方向に沿って多数有するパイプ状のバーナ本体と、そのバーナ本体に燃料ガスを供給する燃料供給管とを備え、原燃料ガスを燃料電池用の水素含有ガスに改質するために改質装置の改質反応部を加熱するように構成されているものであって、
本発明の第１の特徴構成は、前記バーナ本体が、そのパイプ長手方向に分割された複数のバーナ本体部分により構成され、その複数のバーナ本体部分が、前記パイプ長手方向に沿って間隔を置いて並置されて、各バーナ本体部分のパイプ長手方向の中央部に燃料供給管がそれぞれ接続されている点を特徴とする。
【０００８】
すなわち、バーナ本体が、パイプ長手方向に分割された複数のバーナ本体部分により構成されているので、たとえ改質装置の大型化に伴ってバーナ本体を長くする必要が生じても、各バーナ本体部分は比較的短い長さに設定することができ、その比較的短いバーナ本体部分のパイプ長手方向の中央部に燃料供給管がそれぞれ接続されているので、各バーナ本体部分については、その長手方向にほぼ均一な火炎を生成することができる。そして、その複数のバーナ本体部分が、パイプ長手方向に沿って並置されているので、バーナ本体は、全体として実質的に長くなったのと同じことになり、その結果、実質的に長いバーナ本体の長手方向に沿ってほぼ均一な火炎を生成することが可能となる。
さらに、各バーナ本体部分は、パイプ長手方向に沿って間隔を置いて並置されているので、各バーナ本体部分の熱膨張を考慮して、バーナ本体部分間の間隔を適切に設定することによって、例えば、２本の燃料供給管によりバーナ本体部分の熱膨張が拘束されるおそれもなく、熱膨張による変形に起因する異常燃焼の発生も回避することができる。
【０００９】
本発明の第２の特徴構成は、上記第１の特徴構成に加えて、前記バーナ本体部分のそれぞれが、各バーナ本体部分に接続された燃料供給管を介して固定部にそれぞれ支持されている点を特徴とする。
【００１０】
すなわち、バーナ本体部分のそれぞれが、各バーナ本体部分に接続された燃料供給管を介して固定部にそれぞれ支持されているので、各バーナ本体部分は、そのパイプ長手方向に所定の間隔を保持して、パイプ長手方向沿って確実に並置され、その結果、熱膨張による変形に起因する異常燃焼の発生も確実に回避しながら、実質的に長いバーナ本体の長手方向に沿ってほぼ均一な火炎を確実に生成することが可能となる。
【００１１】
本発明の第３の特徴構成は、上記第２の特徴構成に加えて、前記バーナ本体部分のそれぞれが、加熱室形成容器内に配置され、前記燃料供給管のそれぞれが、前記加熱室形成容器の壁を貫通してその壁に固定されている点を特徴とする。
【００１２】
すなわち、バーナ本体部分のそれぞれが、加熱室形成容器内に配置されているので、加熱室形成容器内での安定した火炎の生成が可能となり、しかも、各バーナ本体部分に接続された燃料供給管のそれぞれが、その加熱室形成容器を貫通して加熱室形成容器の壁に固定されているので、加熱室形成容器の壁がバーナ本体部分の固定部を兼用することになり、部品の兼用化による構造の簡素化とコストダウンを図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明による燃料電池用の改質装置用バーナの実施の形態を図面に基づいて説明する。
この改質装置用バーナは、炭化水素系の原燃料ガスを改質して、水素リッチな水素含有ガスを生成する改質装置に組み込まれるもので、改質装置自体は、燃料電池に対して発電反応用として供給する高純度水素ガスを生成する流体処理装置に組み込まれる。
その流体処理装置Ｐは、図１および図２に示すように、天然ガスなどの炭化水素系の原燃料ガスを脱硫処理する脱硫反応部１と、水を加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成部２と、脱硫反応部１で脱硫処理された原燃料ガスを水蒸気生成部２からの水蒸気を用いて水素ガスと一酸化炭素ガスとを含む水素リッチな水素含有ガスに改質処理する改質反応部３と、その改質反応部３からの水素含有ガスに含まれる一酸化炭素ガスを水蒸気を用いて二酸化炭素ガスに変成処理する変成反応部４と、その変成反応部４からの水素含有ガス中に残っている一酸化炭素ガスを選択的に酸化処理する選択酸化反応部５などを備え、一酸化炭素ガス含有量の少ない高純度水素ガスを生成するように構成してある。
【００１４】
前記流体処理装置Ｐは、さらに、燃料ガスを燃焼させて改質反応部３を加熱する燃焼反応部６、改質反応部３から排出される水素含有ガスを通流させて改質反応部３を加熱する改質部加熱用通流部７、燃焼反応部６から排出される燃焼排ガスを通流させてその燃焼排ガスにより水蒸気生成部２を加熱する加熱用排ガス通流部８、その加熱用排ガス通流部８から排出される燃焼排ガスを通流させてその燃焼排ガスにより変成反応部４を冷却する冷却用排ガス通流部９、改質部加熱用通流部７から排出される高温の水素含有ガスにより脱硫反応部１にて脱硫された後の原燃料ガスを加熱する脱硫後原燃料用熱交換器Ｅａ、その脱硫後原燃料用熱交換器Ｅａによる熱交換後の水素含有ガスにより脱硫反応部１にて脱硫処理する原燃料ガスを加熱する脱硫前原燃料用熱交換器Ｅｂ、および、冷却用排ガス通流部９から排出される燃焼排ガスの排熱を燃焼反応部６に供給される燃料ガスと燃焼用空気に回収するエコノマイザＥｃを備えている。
【００１５】
前記エコノマイザＥｃは、冷却用排ガス通流部９から排出される燃焼排ガスを通流させる排熱源排ガス通流部１０の一方側に、燃焼反応部６に供給される燃料ガスを通流させる燃料ガス通流部１１を、他方側に、燃焼反応部６に供給される燃焼用空気を通流させる燃焼用空気通流部１２を設けて熱交換自在に構成してある。
すなわち、燃焼反応部６は、後に詳しく説明するように、改質装置用バーナ１３と燃焼用空気供給管１４を備え、燃料ガス通流部１１からの燃料ガスを改質装置用バーナ１３に供給し、燃焼用空気通流部１２からの燃焼用空気を燃焼用空気供給管１４に供給して、改質装置用バーナ１３により燃料ガスを燃焼させて、隣接する改質反応部３を加熱するように構成してある。
その改質反応部３には、炭化水素系の原燃料ガスを水蒸気を用いて水素ガスと一酸化炭素ガスとを含む水素リッチな水素含有ガスに改質処理するルテニウム、ニッケル、白金などの改質反応用触媒１５を充填してあり、例えば、原燃料ガスがメタンガスを主成分とする天然ガスベースの都市ガス（１３Ａ）であれば、改質反応用触媒１５の触媒作用により、６００〜７５０℃の範囲の改質処理温度の下で水素含有ガスに改質する。
【００１６】
前記流体処理装置Ｐを構成する各部、つまり、脱硫反応部１、水蒸気生成部２、改質反応部３、変成反応部４、選択酸化反応部５、燃焼反応部６、改質部加熱用通流部７、加熱用排ガス通流部８、冷却用排ガス通流部９、排熱源排ガス通流部１０、燃料ガス通流部１１、および、燃焼用空気通流部１２などは、周辺部を溶接により接続された扁平状の容器などにより構成され、それら多数の容器などが横方向に積層状に並べられ、その並び方向両端に一対の保持板１６を押し付け配置し、それら一対の保持板１６を図外のボルトとナットにより締め付けて構成してある。
例えば、改質反応部３、燃焼反応部６、および、改質部加熱用通流部７の場合であれば、燃焼反応部６の加熱室を形成する皿状の容器１７と仕切り部材１８からなる加熱室形成容器１９および改質反応部３と改質部加熱用通流部７を形成する皿状の改質室形成容器２０により構成され、改質反応部３と改質部加熱用通流部７とを仕切る仕切り部材２１に流体通過部２２を設けて構成してある。
【００１７】
前記加熱室形成容器１９内に配置される改質装置用バーナ１３は、図３〜図５に示すように、燃料ガス噴出用の燃料噴出孔２３をパイプ長手方向に沿って多数有するパイプ状のバーナ本体２４とそのバーナ本体２４に燃料ガスを供給する燃料供給管２５、つまり、燃料ガス通流部１１からの燃料ガスをバーナ本体２４に供給する燃料供給管２５とを備えている。
本発明による改質装置用バーナ１３においては、そのバーナ本体２４が、パイプ長手方向に分割された複数のバーナ本体部分２４ａ、この実施形態では、２つに分割された２本のバーナ本体部分２４ａにより構成され、かつ、燃料供給管２５の先端側も２本の分岐燃料供給管２５ａに分岐されて、２本のバーナ本体部分２４ａが、パイプ長手方向に沿って所定の間隔Ｓを置いて並置されるとともに、各バーナ本体部分２４ａのパイプ長手方向の中央部に各分岐燃料供給管２５ａがそれぞれ接続されている。
そして、各分岐燃料供給管２５ａが、固定部としての加熱室形成容器１９の底壁、より具体的には、加熱室形成容器１９を構成する皿状の容器１７の底壁を貫通してその底壁にそれぞれ固定され、各バーナ本体部分２４ａが、各分岐燃料供給管２５ａを介して加熱室形成容器１９にそれぞれ支持されるように構成してある。
【００１８】
前記加熱室形成容器１９内には、改質装置用バーナ１３に対向して、燃焼用空気供給管１４も配置され、その燃焼用空気供給管１４も、改質装置用バーナ１３のバーナ本体２４と同様に、そのパイプ長手方向に２つに分割された２本の燃焼用空気供給管部分１４ａ、つまり、バーナ本体部分２４ａとほぼ同じ長さの２本の燃焼用空気供給管部分１４ａにより構成され、各燃焼用空気供給管部分１４ａには、燃焼用空気を噴出する多数の空気噴出孔２６がパイプの長手方向に沿って設けられている。
２本の燃焼用空気供給管部分１４ａも、そのパイプ長手方向に沿って所定の間隔Ｓを置いて並置されるとともに、互いに対向するバーナ本体部分２４ａと燃焼用空気供給管部分１４ａどうしが、図４に示す側面視において、互いに当接するように配置され、かつ、各バーナ本体部分２４ａの燃料噴出孔２３から噴出される燃料ガスと燃焼用空気供給管部分１４ａの空気噴出孔２６から噴出される燃焼用空気が、互いに所定の角度で衝突して混合するように構成してある。
そして、この燃料ガスと燃焼用空気との混合を促進するため、燃料噴出孔２３がバーナ本体部分２４ａの長手方向に沿ってほぼ等間隔に設けられているのに対し、空気噴出孔２６の方は２つを一組として、その２つの空気噴出孔２６の中間に燃料噴出孔２３が位置するように設けられている。
【００１９】
前記燃焼用空気供給管１４に燃焼用空気流通部１２からの燃焼用空気を供給するための空気搬送管２７が設けられ、その空気搬送管２７の先端側が２本の分岐空気搬送管２７ａに分岐されて、各分岐空気搬送管２７ａが、各燃焼用空気供給管部分１４ａのパイプ長手方向の中央部にそれぞれ接続され、空気搬送管２７には、起動用の燃料ガスとしてメタンガスを主成分とする原燃料ガス、つまり、都市ガス（１３Ａ）を供給する起動用燃料ガス供給管２８を接続してあり、その起動用燃料ガス供給管２８にバルブＶが設けてある。
そして、この改質装置により改質されて流出した水素含有ガスは、脱硫後原燃料用熱交換器Ｅａ、脱硫前原燃料用熱交換器Ｅｂ、変成反応部４、選択酸化反応部５を順に流れて、例えば、電解質層として高分子膜を用いた高分子型の燃料電池Ｇに供給される。燃料電池Ｇでは、選択酸化反応部５からの高純度水素ガスが燃料極に供給され、反応用送風機２９からの空気が酸素極に供給されて、水素含有ガス中の水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電される。さらに、燃料電池Ｇの燃料極から排出されたオフガスが、エコノマイザＥｃの燃料ガス通流部１１、燃料供給管２５、分岐燃料供給管２５ａを通流して改質装置用バーナ１３のバーナ本体部分２４ａに供給されるのである。
なお、図中、３０は燃焼用空気を送風する送風機であり、３１は脱硫後の原燃料ガスに水蒸気を混合させるためのエジェクタである。
【００２０】
〔別実施形態〕
（１）先の実施形態では、改質装置用バーナ１３のバーナ本体２４を２本のバーナ本体部分２４ａに分割した例を示したが、バーナ本体２４におけるバーナ本体部分２４ａへの分割数は、改質装置の大きさなどに応じて適宜決定するものであり、バーナ本体２４を３本以上のバーナ本体部分２４ａに分割して実施することもできる。
また、各バーナ本体２４ａに設ける燃料噴出孔２３については、先の実施形態のように、同じ開口面積の噴出孔２３を長手方向に沿ってほぼ等間隔に設ける以外、例えば、噴出孔間の間隔をバーナ本体部分２４ａの中央部側ほど比較的大きく、両端部側ほど比較的小さくしたり、バーナ本体部分２４ａの中央部側ほど比較的小さな開口面積を有する噴出孔を設け、両端部側ほど比較的大きな開口面積を有する噴出孔を設けるなど、種々の改変が可能である。
【００２１】
（２）先の実施形態では、燃料供給管２５の先端側を分岐燃料供給管２５ａに分岐し、その分岐燃料供給管２５ａを介して各バーナ本体部分２４ａを加熱室形成容器１９に支持させた例を示したが、燃料供給管２５が加熱室形成容器１９の底壁を貫通してその底壁に固定されるように構成し、各バーナ本体部分２４ａが各分岐燃料供給管２５ａと燃料供給管２５を介して加熱室形成容器１９に支持されるように構成することもできる。
また、分岐燃料供給管２５ａおよび燃料供給管２５が加熱室形成容器１９の底壁以外、例えば、加熱室形成容器１９の側壁を貫通してその側壁に固定されるように構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】燃料電池用の改質装置用バーナを備えた流体処理装置の系統図
【図２】燃料電池用の改質装置用バーナを備えた流体処理装置の要部の縦断側面図
【図３】改質装置用バーナの正面図
【図４】改質装置用バーナと燃焼用空気供給管の縦断側面図
【図５】改質装置用バーナと燃焼用空気供給管の斜視図
【図６】従来の改質装置用バーナの正面図
【図７】従来の改良案を示す改質装置用バーナの正面図
【符号の説明】
【００２３】
３      改質反応部
１３    改質装置用バーナ
１９    固定部としての加熱室形成容器
２３    燃料ガス噴出用の噴出孔
２４    バーナ本体
２４ａ  バーナ本体部分
２５，２５ａ  燃料供給管
Ｇ      燃料電池
Ｓ      バーナ本体部分間の間隔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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